江蘇安科瑞電器制造有限公司 顧城

摘要：電力系統中，各類設備的開斷接觸點，由于制造、環境污染、觸點氧化、電弧沖擊等原因造成接觸電阻增大，在運行時往往不斷發熱，溫度不斷上升，給設備安全運行埋下隱患，如果不及時發現，容易導致起火或爆炸，造成大量財產損失。因此，電力設備的溫度在線監測系統越來越得到大家的認可和重視。傳統的紅外、光纖及有源無線測溫系統在安全性、適用性、穩定性、實時性等方面存在一定的技術缺陷。感應取電無源無線溫度在線監測系統在高壓電力設備上得到廣泛應用，有效的解決了傳統測溫技術在安全性、可靠性、穩定性、實用性等方面存在的問題。

關鍵詞：無線傳感器；感應取電；無線測溫；物聯網

1概述

無源無線測溫系統一般有三部分構成：無源無線測溫節點、無線溫度接收終端、數據服務器及APP，系統組成如圖1所示：

圖1系統示意圖

無線測溫節點作為系統的感知層，分布于各個發熱點，實時測量觸點表面溫度，并將溫度數據通過無線方式上傳給接收終端。接收終端在系統中承擔著數據中繼功能，它接收到傳感器的數據之后再通過485或者無線等方式傳輸給數據后臺，他們形成了系統的網絡層。數

據到達后臺后，用戶可以通過計算機組態界面監測現場每個傳感器的實時溫度、歷史曲線，如果出現超溫情況，可以快速定位并及時通知相關人員，這就是系統的應用層。

2無源感應取電理論依據

本系統無源無線取電應用法拉第電磁定律，充分利用高壓開關柜內三相母線產生大量電磁能，根據變壓器模型如圖2所示。母線作為取電感應器的一次側線圈，取電線圈作為取電感應器的二次側線圈，組成取電電路，二次側處于短路工作狀態，相當于電流互感器。

圖2變壓器模型

取電電路關鍵在于導磁材料的選擇，該電路選擇了1J85型薄膜合金帶，薄膜合金帶是一款高導磁合金材料，其特點是含有45%～81%的中鎳，Bs=0.7～1.6T，導磁率從5到50萬，采用不同的制作工藝和熱處理制度可以獲得普通回線-高初始磁導率，矩形回線-高剩余磁感應強度，扁平回線-低剩余磁感應強度。高磁感且高磁導率低損耗，縮小磁性元件和體積，在潮濕的環境中耐腐蝕性強。常用薄膜合金帶主要參數指標如表1所示：

表 1 常用薄膜合金帶性能指標

3無源無線測溫硬件設計

3.1無源無線測溫節點電路設計

通過感應線圈取電后，經鉗位保護電路、整流電路、電壓檢測、線性穩壓為工作電路板供電，電路如圖3所示。

圖 3 無源無線測溫節點電路

測溫節點微控制器采用 TI 公司的低功耗無線單片機CC430F5137 芯片，CC430 不但延續了其前輩超低功耗、高性能的傳統，而且集成了業界 1GHz 以下頻段的 CC1101RF 收發器，是的功耗的單芯片射頻 (RF) 解決方案。使用 CC430 平臺既可降低系統復雜性、將封裝與印刷電路板尺寸縮小 50%，又可簡化RF 設計，從而將包括 RF 網絡、能量采集、工業監控與篡改檢測、個人無線網絡以及自動抄表基礎設施 (AMI)等在內的應用的水平。其外圍電路可參照應用手冊。

溫度電路檢測采用16位高精度可關斷低功耗數字傳感器，通過I2C總線與微控制器連接，如圖4所示。

圖 4 傳感器電路

3.2無線接收終端電路設計

無線接收終端采用TI公司的CC430F5137無線單片機作為控制器，它既可以接受測溫節點發送的數據，也可以通過無線方式或RS485把數據傳給應用層，同時它還可以完成人機交互控制，包括設置操作按鍵和LCD顯示屏。電路連接示意圖如圖5所示。

圖 5 接收終端電路連接示意圖

4無源無線測溫傳感器程序設計

無源無線測溫節點和無線接收器程序設計采用C語言編程，編程要注意的有兩點，一是程序開發規范、簡潔、易讀，二是低功耗程序設計，通過單片機和無線收發器的休眠以及外圍電路的關斷，使得整個電路電流不超過50微安。

設計測溫節點程序時，首先要對單片機和無線收發器進行配置，為了防止節點死機，設計看門狗程序；為了能夠進入休眠模式三，進行電源管理和內核電壓監測設置；為了防止各個節點同時發送數據出現碰撞，采用隨機延時算法；為了降低功耗，對溫度傳感器芯片進行關斷。

相對于測溫節點程序設計，接收器程序無需考慮低功耗設計，但需要考慮抗干擾性，主要通訊干擾，采用CRC校驗去除無線數據傳輸干擾，采用RS485通訊去除有線數據傳輸干擾。

5無源無線測溫系統組態界面設計

無線測溫后臺采用國內品牌工控機或者由客戶型號的計算機，后臺軟件采用工控組態，具有人機界面友好、操作方便、數據全面、功能完善的特點。全局圖可以一目了然分辨出傳感器溫度正常、超溫、故障，如圖6所示：

圖 6 無線測溫詳細圖顯示

6無源無線溫度傳感器的安裝調試與使用

6.1無源無線溫度傳感器的安裝方式

無源無線溫度傳感器廣泛應用于高低壓開關柜、環網柜觸頭、刀閘開關、高壓電纜接頭、干式變壓器、低壓大電流柜等電氣設備的溫度在線監測；無源無線溫度傳感器避免使用電池所帶來的局限，體積小巧，僅相當于傳統傳感器的一顆電池大小，可以安裝在動觸頭等狹小的空間內，所以優先推薦安裝動觸頭。如圖7所示。

圖 7 動觸頭安裝示例

6.2無源無線溫度傳感器的使用

由于無源無線溫度傳感器主要應用于電氣開關動觸頭以及出線母排上，對應變電所或者企業來說不能頻繁通電斷電操作，故使用前需做產品二次測試，測試時將導磁扎帶繞于220V單相電即可，保證安裝產品穩定性。由于各組節點可自動與接收節點匹配，也需做接收測試，

多組同時進行無線傳輸干擾測試。

7安科瑞無線測溫系統介紹與選型

安科瑞無線測溫監控系統是根據當前無線測溫系統的要求，在廣泛征求用戶和家意見的基礎上,充分吸收當前國內外廠家的成功案例，并結合安科瑞多年來的豐富經驗，采用面向對象的分層分布式設計思想，結合自動化技術、計算機技術、網絡技術、通信技術而設計的一款專業的無線測溫軟件。

7.1 Acrel-2000T無線測溫系統結構

Acrel-2000T無線測溫監控系統通過RS485總線或以太網與間隔層的設備直接進行通信（如圖8），系統設計遵循國際標準Modbus-RTU, Modbus TCP等傳輸規約，安全性、可靠性和開放性都得到了很大地提高。

Acrel-2000T無線測溫監控系統具有遙信、遙測、遙控、遙調、遙設、事件報警、曲線、棒圖、報表和用戶管理功能。可以監控無線測溫系統的設備運行狀況，實現快速報警響應，預防嚴重故障發生。

Acrel-2000T無線測溫監控系統主要特點是開放式系統結構，硬件兼容性強，軟件移植性好，應用功能豐富。該系統具有強大的處理能力，快速的事件響應，友好的人機界面，方便的擴充手段。其軟件系統的設計依據軟件工程的設計規范,模塊劃分合理，接口簡捷明了，主要包括主控模塊、人機界面、圖形組態、數據庫管理系統、通信管理等幾大模塊。

圖8 Acrel-2000T無線測溫系統結構圖

7.2 Acrel-2000T無線測溫系統功能

■實時監測

Acrel-2000T無線測溫監控軟件人機界面友好，能夠以配電一次圖的形式直觀顯示各測溫節點的溫度數據及有關故障、告警等信息

■溫度查詢

溫度歷史曲線（1分鐘、5分鐘、60分鐘可選）

■運行報表

查詢各回路設備運行溫度報表.

■實時報警

壁掛式無線測溫監控設備具有實時報警功能，設備能夠對溫度越限等事件發出告警。

■設備提供以下凡種告警方式：

a.彈岀事件報驚窗口.

b.實時語音報警功能，能夠對所有事件發出語音告警.

C.短信吿警，可以向手機haoma發送吿警信息短信（需選配短信mao）.

■歷史告警査詢

Acrel-2000T無線測溫監控系統能夠對所有吿警事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統和告警等事件進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

■用戶權限管理

Acrel-2000T無線測溫監控系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。

通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如數據庫修改等）。可以定義不同級別用戶的 登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

■定值設置

用于修改高溫定值、超溫定值。

■WEB（可選）

展示頁面顯示變電站數量、變壓器數量、監測點位數量等概況信息， 設備溫度、通信狀態，用電分析和事件記錄。首頁顯示場站的變壓器數量、回路個數、有功功率、無功功率、用電量、事件記錄等概況信息，可通過實時監控、變壓器、通信模塊切換到需要查看的界面。

實時數據曲線可監測各個回路的測點溫度、電壓、電流、功率曲線信息。

接線圖頁面通過一次圖實時反映電氣參數變化，包括測量量、信號量等信息（信號量 需要斷路器提供輔助觸點支持）。

能耗統計頁面顯示各回路的功率峰值和用電量峰值，功率、電能趨勢曲線，電能環比，用電排名。

運維管理\通信狀態顯示監測接入系統設備的通信狀態。

■手機APP（可選）

設備數據員面顯示各設備的電參量數據、溫度數據以及曲線。

7.3 安科瑞ARTM系列無線測溫終端產品選型

安科瑞電氣接點無線測溫方案由無線溫度傳感器、收發器、顯示單元組成。溫度傳感器直接安裝于斷路器動觸頭、靜觸頭、電纜接頭、母排等發熱接點，將測溫數據通過無線射頻技術傳至接收裝置，再由接收器485通訊至測溫終端或無線測溫系統（如圖9）。

圖9 電氣接點在線測溫結構圖

7.3.1 安科瑞無線溫度傳感器

無線溫度傳感器共有5種，分別對應螺栓固定、表帶固定、扎帶捆綁、合金片固定等安裝方式。針對不同的變電站要求，可根據傳感器供電方式以及安裝位置的不同，考慮安裝方便的因素，選擇相匹配的傳感器。

7.3.2 安科瑞無線收發器

無線測溫收發器共有3種，通過無線射頻方式接收溫度數據。收發器根據不同的傳感器型號進行匹配，同時傳感器的傳輸距離決定接收裝置能否多柜接收。

7.3.3 安科瑞顯示終端

顯示裝置通過RS485連接收發器，可嵌入式安裝于柜體上，若柜體開孔不便，也可選擇壁掛式安裝于配電室內。方便操作人員現場及時查看電氣節點實時溫度的同時，也可以通過RS485或以太網通訊的方式在后臺系統查看現場情況。

【參考文獻】

[1] 曹祥紅.應用于高壓設備測溫系統的感應取電電源設計[J].科學技術與工程，2013,13（28）.

[2] 劉濤，唐培林.基于感應取電的無線測溫系統設計與應用.

[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版.